制造業(yè)發(fā)展新趨勢：數(shù)字化時代與互聯(lián)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

在工業(yè)4.0的大背景下，全球制造業(yè)發(fā)展的大趨勢是工業(yè)數(shù)字化和互聯(lián)化，正在構(gòu)建數(shù)字化市場和互聯(lián)的制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。全球市場制造業(yè)面臨機遇與挑戰(zhàn)，制造業(yè)顛覆性創(chuàng)新作為新產(chǎn)品、服務(wù)和技術(shù)的驅(qū)動因素，為制造業(yè)和新興經(jīng)濟體發(fā)展提供了良好的發(fā)展機遇，包括循環(huán)經(jīng)濟和其它顛覆式商業(yè)模式。同時制造業(yè)企業(yè)面臨核心競爭力不強、全球化競爭加劇和人才短缺等挑戰(zhàn)。2017年6月世界制造論壇上，全球制造業(yè)VIP提出了制造業(yè)發(fā)展趨勢，即用戶體驗經(jīng)濟正在重新塑造制造業(yè)，全球知名企業(yè)正在加速向全生命周期的數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)型，勞動力資源的新角色和持續(xù)教育，即持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量，提升用戶體驗。

1 用戶體驗經(jīng)濟正在重新塑造制造業(yè)

圖1 汽車制造業(yè)的用戶體驗轉(zhuǎn)型[1]

全球制造業(yè)制造范式正在轉(zhuǎn)向加速和加強用戶在設(shè)計制造中的參與，即制造業(yè)制造范式正在向體驗經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。例如汽車制造業(yè)從過去的大批量生產(chǎn)向地區(qū)化、個性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，適應(yīng)不斷變化的需求，更具競爭力的產(chǎn)品超出客戶期望（見圖1）。

從模擬產(chǎn)品到創(chuàng)建用戶體驗，技術(shù)發(fā)展趨勢為創(chuàng)建用戶體驗提供了機遇，如IoT/IIoT、大數(shù)據(jù)、云計算等，促進了智慧醫(yī)療、智慧工廠、智慧家居、智慧交通，從而形成了智慧城市。Dassault公司提出了3DEXPE?RIENCE制造技術(shù)提供了持續(xù)的數(shù)字化解決方案，其中互聯(lián)技術(shù)的創(chuàng)新提供了所有使用者快速產(chǎn)品交付，用戶使用數(shù)字化實現(xiàn)數(shù)字化工業(yè)體驗，為用戶基于數(shù)字模型提供了購買決策支持。目前很多國際上的大公司都在加速、加強用戶體驗，包括世界500強的PSA,AIRBUS等，財富500強公司中2000年以來消失的公司大部分是因為數(shù)字化進程太慢失去了競爭力。數(shù)字化增強和提供了企業(yè)敏捷產(chǎn)品，快速為用戶提供獨特的價值。

2 企業(yè)正在加速向全生命周期的數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)型

德國Siemens公司在整個制造過程價值鏈基礎(chǔ)上創(chuàng)建了數(shù)字孿生，包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、批量生產(chǎn)和服務(wù)（見圖2）。上述價值鏈?zhǔn)腔谠坪烷_放式IOT操作系統(tǒng)，協(xié)同平臺為Teamcenter。Teamcenter集成了不同階段使用的軟件工具，例如在設(shè)計階段包括CAD/CAE/CAM,開放中需要模擬和認(rèn)證的嵌入式軟件Polarion ALM等,在生產(chǎn)規(guī)劃階段，Teamcenter集成了 Manufacturing，Tecnomatix Process Simulate等軟件，模擬操作工人的工作條件、模擬機器人操作流程等。Teamcenter是基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，而其開放式的生產(chǎn)操作系統(tǒng)（MindSphere）是Siemens的基于云的物聯(lián)網(wǎng)開放式操作系統(tǒng)。

企業(yè)使用數(shù)字化的開放式的生產(chǎn)操作系統(tǒng)的好處：歐洲著名豪華汽車品牌Maserati新產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備時間縮短了30%，生產(chǎn)效率提高了2倍，MindSphere為生產(chǎn)提供了70,000多種技術(shù)組合。實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必須應(yīng)用數(shù)字企業(yè)套件。數(shù)字企業(yè)套件是Siemens獨特的產(chǎn)品組合數(shù)字化轉(zhuǎn)型的典范。

圖2 Siemens 全價值鏈數(shù)字化協(xié)同平臺[2]

數(shù)字化轉(zhuǎn)型長期以來一直是管理議程的主題之一。而這是一種永恒的趨勢，不斷受到新一代數(shù)字技術(shù)的推動而更新。不僅創(chuàng)業(yè)公司而且成熟公司正在開發(fā)新的、創(chuàng)新的商業(yè)模式，以證明其盈利能力和可持續(xù)性。

企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型有四個特征，即數(shù)字化轉(zhuǎn)型是不可避免的，不可逆轉(zhuǎn)的，非常快速的和充滿不確定性的[3]。這四個特征說明了數(shù)字化的轉(zhuǎn)型商業(yè)和社會是一個只會因規(guī)則而放慢腳步，但不能停止的過程。企業(yè)不應(yīng)該受到誘惑沉迷于現(xiàn)有的商業(yè)模式。相反，它是關(guān)于不斷評估新的數(shù)字技術(shù)進一步發(fā)展?jié)摿Φ臋C會,評估現(xiàn)有的商業(yè)模式。

3 互聯(lián)技術(shù)促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級

當(dāng)前信息技術(shù)包括云技術(shù)、企業(yè)數(shù)據(jù)中心、傳統(tǒng)和嵌入式終端以及網(wǎng)絡(luò)。通過互聯(lián)性、數(shù)據(jù)共享和分析以及技術(shù)融合，物聯(lián)網(wǎng)將信息技術(shù)和操作運營融合在一起。

未來的5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)都需要更多分布式計算功能，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的未來需要更加虛擬化、可擴展、可靠、安全、實時的計算和存儲，在邊緣、在運營領(lǐng)域霧計算（Fog Computing）的硬件和軟件應(yīng)用會逐步擴大。

圖3 Nebbiolo Technologies工業(yè)金字塔的新功能層[4]

Nebbiolo Technologies提出了工業(yè)金字塔的新功能層（見圖3），即采用霧計算（Fog Computation），包括通訊、分析、控制和應(yīng)用主機及組合控制（Orchestra?tion）,基于局部的豐富的分析進行的編輯控制(Orches?trated Control)，這是驅(qū)動IT和操作層不斷融合和未來工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）控制的基礎(chǔ)。

工業(yè)運營技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)，當(dāng)前企業(yè)資源是碎片化的、無序管理和不能實現(xiàn)互聯(lián)。一個典型的汽車車身車間包含了40個開關(guān)、可編程邏輯控制器(PLC)134個、959臺機器人、507個焊接控制器、自動化總線I/O模塊1333個和其他裝置及開關(guān)7362個。如此龐大的系統(tǒng)和裝置需要很大的邊緣計算（Edge Computing）,但是多數(shù)企業(yè)沒有專門的計算能力、這些設(shè)備和裝置是獨立的，沒有信息互聯(lián)，都是手動操作、軟件不統(tǒng)一、靈活性差、不開放，不容易容納創(chuàng)新變革。

多數(shù)工業(yè)運營面臨的另一項挑戰(zhàn)是大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用，包括在邊緣計算數(shù)據(jù)的獲取、分析和可視化。硬件方面，面臨著很多硬件處于零散狀態(tài)，缺乏可融合的模塊、大批量、敏捷和可信賴的構(gòu)架。軟件方面，在不同層級上存在不同的編程模型，軟件版本落后、不安全的手動更新、需要更現(xiàn)代化的布局。控制系統(tǒng)方面，也是碎片化、不容易實現(xiàn)編程，需要復(fù)雜的、協(xié)同控制豐富的傳感器。網(wǎng)聯(lián)方面，仍然考手動配置、非標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)、無線連接只在局部實現(xiàn)，很難通過防火墻進行通信。安全方面，多數(shù)企業(yè)IT與操作（OT）分離，缺乏操作層面的安全保障。

隨著5G的發(fā)展，企業(yè)制造車間會出現(xiàn)新的融合功能，在霧層（Fog Layer）上融合和增強現(xiàn)有的功能，如機器人控制與可視化、可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)、機器視覺與掃描閱讀器、車間控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、ERP/MRP系統(tǒng)，新的系統(tǒng)功能也會增加。

Nebbiolo Technologies提出了未來霧計算平臺的發(fā)展方向[4]：

IT/OT融合：進入新市場

?將云技術(shù)引入工業(yè)自動化-打開IT/OT異花授粉的大門，發(fā)揮兩者優(yōu)勢

?客戶最終可以通過云可信技術(shù)支持的敏捷性在OT中進行創(chuàng)新

虛擬化融合基礎(chǔ)設(shè)施：提高效率、降低成本

?在通用計算平臺上整合管理分散的資源，便于計算、存儲、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化

?在通用平臺上進行實時和非實時集成

?支持現(xiàn)代軟件技術(shù)，同時支持舊軟件和傳統(tǒng)軟件

邊緣數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用程序基礎(chǔ)架構(gòu)：獲得新的洞察

?通過云端學(xué)習(xí)，獲得實時的洞察力，優(yōu)化機器/工廠操作和質(zhì)量控制，

?用于敏捷分析和智能應(yīng)用程序部署的應(yīng)用程序編排基礎(chǔ)架構(gòu)

機器作為平臺：促進新的收益

?機器制造商可以超越傳統(tǒng)的零部件制造商的限制，成為用于分析、可視化的集成提供商/解決方案提供商，并提供開放的協(xié)作平臺。

信息安全可靠的平臺：設(shè)備、數(shù)據(jù)隱私和安全的守護者

?云端到邊端、到端的安全性（Cloud-to-Edge end-to-end）

?廣泛的數(shù)據(jù)隱私和權(quán)利

4 重塑勞動力資源的新角色，持續(xù)提升教育水平，為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級奠定基礎(chǔ)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的四大基石是顧客參與、雇員授權(quán)、優(yōu)化操作和產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。數(shù)字化進程賦予勞動力資源新的角色，需要重新評估勞動力資源:

?需要更全面了解操作層面，更深入的洞察。由于數(shù)據(jù)、可視化和分析而提高了認(rèn)識。

?了解更復(fù)雜的行為。

?專注于人類更高級的任務(wù)，可以比重復(fù)活動做得更好，這些重復(fù)的活動自然適合機器的事情

■直覺和超越AI的復(fù)雜推理與經(jīng)驗

■利用人類未開發(fā)的全部潛力，超越重復(fù)活動和機械執(zhí)行的任務(wù)。

■這需要更廣泛的教育、系統(tǒng)級別和準(zhǔn)備更高層的邏輯

■風(fēng)格、設(shè)計、藝術(shù)和創(chuàng)意應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的各個方面以及工業(yè)活動

?擴展、擴大人類和機器的協(xié)同工作潛力

?大力加強IT和OT實踐教育

?更深入地了解復(fù)雜系統(tǒng)、交互和子系統(tǒng)

?能夠通過直覺和經(jīng)驗指導(dǎo)數(shù)據(jù)分析及總結(jié)

?能夠直接指導(dǎo)參與的工業(yè)流程的優(yōu)化模擬和優(yōu)化工藝過程，而不僅僅是被動做自動的機器

?參與改進流程的動機

?通過更廣泛的教育提升人類的科學(xué)和藝術(shù)方面的水平，在有利于公司可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境中，有足夠的動力對公司業(yè)務(wù)的增長做出貢獻

5 結(jié)束語與展望

數(shù)字化為企業(yè)價值鏈帶來了很多好處，但是數(shù)字化之路任重道遠。企業(yè)面臨碎片化的軟、硬件資源、面臨大數(shù)據(jù)計算與分析、控制系統(tǒng)孤島和信息安全的挑戰(zhàn)，同時隨著工業(yè)4.0的發(fā)展和第4次工業(yè)革命的浪潮下，面臨著巨大的發(fā)展機遇，互聯(lián)企業(yè)+數(shù)字化企業(yè)是人工智能發(fā)展智能工廠的基礎(chǔ)。

當(dāng)前人與機器一起以非常基本的方式在協(xié)同工作，展望未來：

?企業(yè)會面臨更深入的機器人與人類的協(xié)同工作；

?未來更豐富的傳感器和融合控制架構(gòu)，使得人機協(xié)同工作更安全、更強互動、更具協(xié)作性；

?開放更多的協(xié)同工作領(lǐng)域；

?更豐富的用戶界面（UI）和更多的可穿戴設(shè)備，如平板電腦和增強現(xiàn)實（AR）。